CN101372257A - 船舶航迹优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种船舶航迹优化分析方法，属通用船舶航行测量与分析领域。本发明根据船艏DGPS接收机、船艉DGPS接收机和电罗经装置测出船舶实际的航行路线，结合风向仪测出风流和风力干扰变量参数，对实际的航迹数据进行一系列的矢量合成和动态调整，通过优化计算以修正船舶运动航迹，由此得出船舶在风平浪静状态下船舶航行所对应的航迹路线，从而确定在船舶试航时更为精确的运动性能参数。本发明测量精确，适用于实时检测。

Description

船舶航迹优化分析方法

技术领域

本发明涉及一种船舶航迹优化分析方法，属通用船舶航行测量与分析领域。

背景技术

在船舶建造和船舶大修后，将会进行船舶试航，以测试船舶各方面的性能，其中船舶的操纵性能以及船舶运动特性测试是两个重要的内容，测试结果将作为评价船舶航行性能的重要依据。

传统的船舶操纵性能以及船舶运动特性测试是通过对DGPS和电罗经装置的信号采集以及计算机系统的信号分析处理，为船舶航行姿态和运动特性提供相应数据。主要包括：(1)船舶前进或后退速度；(2)船艏横移速度；(3)船艉横移速度；(4)船舶旋转速度；(5)船舶运动轨迹；(6)船舶运动平均速度计算与分析；(7)船舶运动回转半径计算。上述参数的结果主要通过船舶运动轨迹的分析计算得到。

然而，船舶在试航过程中，外界干扰因素(风力和风流等)将对船舶运动特性产生影响，由DGPS和电罗经装置得到的船舶运动轨迹不是一条理想的船舶运动轨迹，由此得到的船舶航行态势和运动特性数据不能充分反映船舶的实际操纵性能和船舶运动特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种船舶航迹优化分析方法。

一种船舶航迹优化分析方法，其特征在于包括以下步骤：

a)初始化检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时间间隔；

b)已知船舶实际航速为V，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角

，采用风向仪检测都得到风流的速度V_f和方向θ，将所述船舶实际航速V、GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角、风流速度V_f和风流方向θ通过网关输出至计算机测量系统；

c)采用计算机测量系统计算船舶理想航速V₀：

在极坐标中，由船舶理想航速V₀与船舶实际航速V、船舶实际航向角

风流速度V_f和风流方向θ的关系：

得到

d)采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算：t_n-1时刻船舶位于P_n-1点，t_n时刻船舶位于P_n点，其中t为GPS采集定位点信号的时间点，P为船舶在极坐标中对应位置点，n为GPS采集定位点信号的个数，t_n-t_n-1为GPS采集定位点信号的时间间隔；把P_n-1P_n弧视作直线，根据：计算得到船舶理想航速V₀，其中风流速度V_f和风流方向θ分别取t_n-1时刻的风流速度

和风流方向

e)将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想航速V₀输出至分析及优化软件得到船舶运动的新航迹。

本发明船舶航迹优化分析系统将根据DGPS和电罗经装置测出船舶实际的航行路线，结合传感器测出风力干扰变量参数，对实际的航迹数据进行一系列的矢量合成和动态调整，通过优化计算以修正船舶运动航迹，由此得出船舶在风平浪静状态下船舶航行所对应的航迹路线，从而确定在船舶试航时更为精确的运动性能参数。本发明测量精确，适用于实时检测。

附图说明

图1：本发明测量系统原理结构图；

图2：本发明速度矢量合成图；

图3：本发明船舶部分航迹图；

图4：本发明船舶的实际航迹图；

图5：本发明优化后的航迹合成图。

具体实施方式

如图1，图2所示，一种船舶航迹优化分析方法，包括以下步骤：

a)初始化检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时间间隔；

b)已知船舶实际航速为V，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角

，采用风向仪检测都得到风流的速度V_f和方向θ，将所述船舶实际航速V、GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角

、风流速度V_f和风流方向θ通过网关输出至计算机测量系统；

c)采用计算机测量系统计算船舶理想航速V₀：

在极坐标中，由船舶理想航速V₀与船舶实际航速V、船舶实际航向角

风流速度V_f和风流方向θ的关系：

得到

d)采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算：t_n-1时刻船舶位于P_n-1点，t_n时刻船舶位于P_n点，其中t为GPS采集定位点信号的时间点，P为船舶在极坐标中对应位置点，n为GPS采集定位点信号的个数，t_n-t_n-1为GPS采集定位点信号的时间间隔；把P_n-1P_n弧视作直线，根据：

计算得到船舶理想航速V₀，其中风流速度V_f和风流方向θ分别取t_n-1时刻的风流速度

和风流方向

e)将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想航速V₀输出至分析及优化软件得到船舶运动的新航迹。

检测系统由船艏DGPS接收机、船艉DGPS接收机、电罗经、风向仪、网关、计算机测量系统和分析与优化软件等组成，其中DGPS接收机、电罗经和风向仪为信号测量装置，选用具有RS232接口的通用产品。上述测量装置的信号通过专用网关将信号转输到计算机测量系统，完成船舶运动特性的基本测量，根据风向风速、流向流速、航向航速和一般的船舶操纵特性，在分析与优化软件的处理下给出船舶运动特性。

如图3所示，由于GPS系统每一次定位所需的时间很短，接近于实时的导航，则相对于一条航迹而言，两点之间的航迹段非常短。因此在航迹转弯处把两点间的弧线视做作直线进行计算讨论。GPS采集的定位信号，t₁时刻船舶位于P₁点；t₂时刻位于P₂点；依次类推t₃，t₄，t₅，t₆.......各时刻分别对应于P₃，P₄，P₅，P₆......位置。计算时由于航迹点之间的采集时间短，P₁P₂段在整个航迹中所占的比例很小，这里把P₁P₂弧视作直线。即该小段可以按直线航行时那样进行矢量计算，航向看成沿P₁点的切线方向，P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅......段的计算方法跟P₁P₂段一样。

如图4所示，为船舶的一条实际航行路线图。0-P₂段为船舶匀速直线航行，P₂-P₅段为船舶顺时针转弯的航迹段，P₅-P₈为船舶逆时针转弯的航迹段，P₈P₁。船舶恢复直线匀速航行。

考虑到风流的速度和方向是时刻变化的，那么对船舶每时每刻的影响就会不一样，假设在非常短的时间内风流的速度和大小是没有发生改变的，在此时间段里来计算不受风流影响下船舶瞬时理想航速

和时间t的函数关系。

现在就船舶的实际航迹分段讨论：

O-P₂航迹段匀速直线航行，由于(t₀，t₁)和(t₁，t₂)为GPS采集航迹点的间隔时间，在这么短的时间里可以认为风流状态保持不变。所以：

t在(t₀，t₁)时，风流速度和方向分别是

则有

T在(t₁，t₂)时，风流速度和方向分别是

则有

P₂-P₅段和P₅-P₈段转弯处的计算方法与上面相同。

如图5所示。本发明在给出的假设航迹段上作计算修正，得出经过计算优化后的新航迹。P₁点修正后的位置是

点，P₂点修正后的位置是

点，P₃点修正后的位置是

点......。

随着θ角在0⁰-360⁰的范围里不断变化，上述的计算函数其实是四象限的循环式，每一小段的计算方法都相同。

Claims (1)

1.一种船舶航迹优化分析方法，其特征在于包括以下步骤：

a)初始化检测系统，在计算机测量系统中设置GPS采集定位点信号的时间间隔；

b)已知船舶实际航速为V，采用船艏DGPS接收机和船艉DGPS接收机接收GPS输出的定位点信号，采用电罗经检测得到船舶的实际航向角

采用风向仪检测都得到风流的速度V_f和方向θ，将所述船舶实际航速V、GPS输出的定位点信号、船舶实际航向角

风流速度V_f和风流方向θ通过网关输出至计算机测量系统；

c)采用计算机测量系统计算船舶理想航速V₀：

在极坐标中，由船舶理想航速V₀与船舶实际航速V、船舶实际航向角

风流速度V_f和风流方向θ的关系：

得到

d)采用计算机测量系统，在接收的GPS输出的定位点信号中，分别以两个相邻采集时间点采集的定位信号为基准计算：t_n-1时刻船舶位于P_n-1点，t_n时刻船舶位于P_n点，其中t为GPS采集定位点信号的时间点，P为船舶在极坐标中对应位置点，n为GPS采集定位点信号的个数，t_n-t_n-1为GPS采集定位点信号的时间间隔；把P_n-1P_n弧视作直线，根据：计算得到船舶理想航速V₀，其中风流速度V_f和风流方向θ分别取t_n-1时刻的风流速度

和风流方向

e)将计算机测量系统测量得到的各个点的船舶理想航速V₀输出至分析及优化软件得到船舶运动的新航迹。

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